博碩士論文 90322067 詳細資訊




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姓名 陳星如(Xing-Ru Chen)  查詢紙本館藏   畢業系所 土木工程學系
論文名稱 尾檻設置對下游之局部沖刷效應
(The effect of end-sill layout on the downstream local scour of gravelly bed)
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摘要(中) 中文摘要
為保護堰壩閘門之安全穩定,於下游常設置護坦保護工。但由於護坦末端易因多次水流刷深後產生基礎裸露,因此加置尾檻挑流設計。藉此改變出口水流條件,使高速水流挑離基礎處,於較下游處落入尾水,達到削減能量及轉沖為淤之保護功效。本研究為清水沖刷試驗,研究重點在於尾檻迎水角度與高度之變化,分別探討並比較無尾檻條件、矩形尾檻及梯形尾檻挑流保護工等三種不同試驗模型,於深、淺尾水流況下之水流型態及沖刷機制。應用理論分析配合實驗結果,試圖找出沖刷坑特徵尺度(最大沖刷深度,最大刷深位置,基礎刷深等)之間相互關係,可供推估各流況條件下尾檻下游之沖刷坑型態。最後並相互比較,期望能瞭解尾檻變化所造成之影響,以提供最佳之尾檻設計角度做為工程參考之依據,達到防沖消能保護功效。
研究分析結果得知,當比較相關沖刷坑特徵尺度,發現在迎水30°比另外15°、45°及90°三種角度防沖效果為佳,且30°對於各類尾水適應性較佳,因此研究建議以梯形30°作為尾檻保護設計角度。
摘要(英) Abstract
In order to protect the dams or weirs, many energy dissipaters such as apron, sills to aid in energy dissipation or to deflect high velocity flow away from the channel bed. This study examine the effect of angle of sills and the tailwater depth related to the scour mechanism. The characteristics of the scour profile shows strong dependence on the tailwater depth..
There are three series of experiments in this study : the plane wall jet (no sills),the wall jet with a rectangle sill , and the wall jet with a trapezoid sill. The experiments were preformed with clear water and homogeneous sand beds.
According to experimental data, the trapezoid sill with the angle of
30°is the best design for protection of the downstream riverbed near those structures, and this angle is proposed for the design of the sills.
關鍵字(中) ★ 挑流
★ 局部沖刷
★ 沖刷坑
★ 尾檻
關鍵字(英) ★ plane jet
★ scour hole
★ local scour
★ sills
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 ..ⅩⅡ
符號表 ⅩⅢ
第一章 緒論 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究方法 2
1-3 本文架構 3
第二章 文獻回顧 5
2-1沖刷坑型態之研究 5
2-2尾水深對沖刷影響之研究 8   
2-3洩水閘門尾檻對下游流況研究 13 
第三章 理論分析 19
3-1 沖刷機制 19      
3-2尾水條件之影響 19           
  3-2-1出口水躍型態 19
3-2-2堆積丘特徵及水流型態 21
3-3沖刷坑特徵尺度分析 22     
  3-3-1深尾水特徵尺度 22
    3-3-2淺尾水特徵尺度 23
    3-3-3沖刷坑剖面曲線函數 24
    3-3-4置入尾檻與護坦保護工之沖刷坑特徵尺度 26
  3-4設計沖刷坑剖面曲線函數 28
第四章 水工模型試驗 31
4-1實驗目的 31
4-2實驗渠槽 31
4-3實驗設備 32
4-4實驗條件 33
4-5實驗方法與步驟 37
  4-5-1水深量測 37
  4-5-2沖刷剖面之量測 37
4-5-3沖刷剖面演變歷程之量測 37
4-5-4實驗步驟 37
第五章 結果與討論 41
5-1平面邊牆射流護坦(無尾檻)效應分析 41
5-1-1水深對於平面邊牆射流之流況演變過程 41
5-1-2動態沖刷平衡狀態 43
5-1-3沖刷坑相似剖面 43
5-1-4無尾檻之沖刷效應(固定護坦長度) 44
5-2尾檻高度效應分析 45
5-2-1水深與尾檻高度對於流況之演變過程 45
5-2-2沖刷坑相似剖面 48
5-2-3設置尾檻之保護效益 49
5-3尾檻角度效應分析 52
5-3-1水深與尾檻形狀對於流況之演變過程 52
5-3-2沖刷坑相似剖面 55
5-3-3改變尾檻角度之保護效益 56
5-3-4置換不同角度尾檻之影響 58
5-4沖刷坑之特徵尺度分析 60
5-5沖刷參數之定義 62
第六章 結論與建議 64
6-1 結論 ……64
6-2 建議 …66
參考文獻 67
圖目錄
圖2-1沖刷坑特性參數示意圖 8
圖2-2沖刷剖面概要圖 9
圖2-3邊牆射流示意圖 11
圖2-4尾檻高度( )和護坦長度( ) 之無因次關係 14
圖2-5反覆循環區示意圖 14
圖2-6初始水躍符號定義 15
圖2-7尾檻種類 17
圖2-8尾檻設計圖 18
圖3-1(a) 水躍發生處 20
圖3-1(b) 水躍發生處 20
圖3-1(c) 水躍發生處 20
圖3-2(a) 深尾水條件流況示意圖 21
圖3-2(b) 淺尾水條件流況示意圖 22
圖3-3設計沖刷坑剖面曲線函數 28
圖4-1實驗水槽示意圖 79
圖4-2雙面嵌玻璃壁渠槽 34
圖4-3床粒徑級配曲線 36
圖4-4實驗流程 40
圖5-1深尾水護坦沖刷剖面各參數示意圖 80
圖5-2平面邊牆射流深尾水之水流流況示意圖 80
圖5-3淺尾水護坦沖刷剖面各參數示意圖 81
圖5-4平面邊牆射流深尾水之水流流況示意圖 81
圖5-5(a)平面射流轉向底床(Yt=15cm) 82
圖5-5(b)平面射流轉向水平方向(Yt=15cm) 82
圖5-5(c)堆積丘崩落,平面射流再次接觸底床(Yt=15cm) 82
圖5-5(d)平面射流再度造成底床沖刷,形成第二堆積丘(Yt=15cm) 82
圖5-6射流沖刷與底床堆積時之水面線差異 83
圖5-7 15cm尾水動沖刷產生第二堆積丘圖 83
圖5-8相同護坦( ),深、淺尾水之沖刷坑相似剖面圖 84
圖5-9(a)淺尾水之無因次沖刷剖面與數值模擬曲線比較圖 84
圖5-9(b)深尾水之無因次沖刷剖面與數值模擬取線比較圖 85
圖5-10固定護坦下最大平衡刷深( )與尾水深度無因次化關係 85
圖5-11固定護坦下最大基礎刷深( )與尾水深度無因次化關係 86
圖5-12(a) 轉向表面射流示意圖 86
圖5-12(b) 再接觸邊牆射流示意圖 87
圖5-13 Yt=7.5cm 各尾檻之水面線剖面圖 87
圖5-14 Yt =20cm 各尾檻之水面線剖面圖 88
圖5-15置入尾檻後沖刷坑剖面各參數示意圖 88
圖5-16(a) 低尾檻深尾水之水流流況示意圖 89
圖5-16(b) 低尾檻淺尾水之水流流況示意圖 89
圖5-17護坦上方產生之分離渦漩圖 90
圖5-18夾氣現象圖 90
圖5-19(a) 高尾檻深尾水之水流流況示意圖 91
圖5-19(b) 高尾檻淺尾水之水流流況示意圖 91
圖5-20不同尾檻高度下,淺尾水(Yt=7.5cm)沖刷坑相似剖面圖 92
圖5-21淺尾水(Yt=7.5cm)低尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖 92
圖5-22淺尾水(Yt=7.5cm)高尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖 93
圖5-23不同尾檻高度下,深尾水(Yt=20cm)沖刷坑相似剖面圖 93
圖5-24深尾水低尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖 94
圖5-25深尾水高尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖 94
圖5-26最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 95
圖5-27最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 95
圖5-28最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 96
圖5-29最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 96
圖5-30尾檻效應在各尾水位時之最大平衡刷深( )與尾檻高度之
無因次化圖(正值為刷深) 97
圖5-31尾檻效應之最大平衡沖刷深度與尾水高度之無因次化圖 97
圖5-32尾檻基礎處刷深( )與尾水深度之無因次化關係圖( 正值
為堆積,負值為沖刷) 98
圖5-33尾檻效應在各尾水位時之尾檻基礎處刷深( )與尾檻高度之無因次化關係圖( 正值為堆積,負值為沖刷) 98
圖5-34梯形尾檻示意圖 99
圖5-35(a) h=1.5cm方形及梯形尾檻水面線比較圖 99
圖5-35(b) h=3.0cm方形及梯形尾檻水面線比較圖 100
圖5-36梯形高尾檻深尾水水流示意圖 100
圖5-37 h=3.0cm深尾水水面線及動沖刷剖面圖 101
圖5-38梯形高尾檻淺尾水水流流況示意圖 101
圖5-39 h=0.5cm,Yt=7.5之水面線變化圖 102
圖5-40震盪型水躍示意圖 102
圖5-41(a)不同尾檻高度下,淺尾水(Yt=7.5cm)沖刷坑相似剖面圖
103
圖5-41(b)不同尾檻高度下,淺尾水(Yt=10.0cm)沖刷坑相似剖面圖
103
圖5-42(a)不同尾檻高度下,高尾水(Yt=15.0cm)沖刷坑相似剖面圖
104
圖5-42(b)不同尾檻高度下,高尾水(Yt=20.0cm)沖刷坑相似剖面圖
104
圖5-43最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 . 105
圖5-44最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 105
圖5-45最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 106
圖5-46最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖 106
圖5-47尾檻效應在各尾水位時之最大平衡刷深( )與尾檻高度之
無因次化圖(正值為刷深) 107
圖5-48尾檻效應之最大平衡沖刷深度與尾水高度之無因次化 107
圖5-49尾檻基礎處刷深( )與尾水深度之無因次化關係圖( 正值
為堆積,負值為沖刷) 108
圖5-50尾檻效應在各尾水位時之水工結構物基礎處刷深( )與尾檻
高度之無因次化關係( 正值為堆積,負值為沖刷) 108
圖5-51尾檻效應在各尾水位時之水工結構物基礎處堆積範圍( )
與尾檻高度之無因次化關係圖 109
圖5-52水工結構物基礎處堆積範圍( )與尾水深度之無因次化關
係 109
圖5-53尾檻角度變化示意圖 110
圖5-54淺尾水(Yt=7.5cm)下,不同尾檻之水面線比較 110
圖5-55淺尾水(Yt=7.5cm)下,梯形尾檻挑流夾氣現象 111
圖5-56深尾水(Yt=20cm)下,不同尾檻之水面線比較 111
圖5-57深尾水(Yt=10cm)下,不同尾檻之水面線比較 112
圖5-58不同尾檻角度下,沖刷坑中心剖面與水面線比較 112
圖5-59不同尾檻角度最大平衡沖刷深度與尾水高度無因次化比較 113
圖5-60水工結構物基礎處刷深( )與尾水深度之無因次化關係( 正值為堆積,負值為沖刷) 113
圖5-61深淺尾水下,平衡時最大刷深與最大堆積丘受邊壁效應之影響(梯形h=1.5cm) 114
圖5-62矩形尾檻(h=3cm,Yt=10),受流場震盪之影響 114
圖5-63最大沖刷深度處底床橫剖面 115
圖5-64(a) Yt=20cm h=0.0cm 沖刷剖面演變過程 115
圖5-64(b) Yt=20cm h=0.0cm 沖刷剖面演變過程 116
圖5-65平面邊牆射流堆積丘歷程 116
圖5-66無因次化平面邊牆射流之最大刷深與沖刷延時關係 117
圖5-67(a) Yt=20cm h=3.0cm 矩形尾檻沖刷剖面演變過程 117
圖5-67(b) Yt=20cm h=3.0cm 矩形尾檻沖刷剖面演變過程 118
圖5-68(a) Yt=20cm h=3.0cm 梯形尾檻沖刷剖面演變過程 118
圖5-68(b) Yt=20cm h=3.0cm 梯形尾檻沖刷剖面演變過程 119
圖5-69無因次化矩形尾檻之最大刷深與沖刷延時關係 119
圖5-70無因次化梯形尾檻之最大刷深與沖刷延時關係 120
表目錄
表2-1深淺尾水及影響堆積丘之臨界條件 12
表2-2邊牆射流下游局部沖刷公式整理表 70
表2-3邊牆射流下游局部沖刷坑曲線函數方程式 71
表2-4歸納深、淺尾水之分類標準 72
表3-1影響沖刷深度之參數 23
表3-2設置尾檻與護坦保護工之影響沖刷深度參數 27
表4-1試驗段流場及配置條件 35
表4-2粒徑選擇條件 35
表5-1實驗結果彙整資料 73
表5-2薄板尾檻沖刷剖面各實驗條件之參數值 76
表5-3梯形尾檻沖刷剖面各實驗條件之參數值 77
參考文獻 參考文獻
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指導教授 周憲德(Hsien-Ter Chou) 審核日期 2003-7-9
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